氫氣是一種用途廣泛、清潔、安全的能量載體，可以作為動(dòng)力燃料或工業(yè)原料。隨著水電解技術(shù)的發(fā)展，氫能可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、高效的可再生能源消納。作為能源緩沖載體，它可以跨行業(yè)和跨地區(qū)分配能源，提高了能源系統(tǒng)的韌性。氫能的應(yīng)用有利于減少社會(huì)對(duì)煤石油等不可再生能源的依賴，推動(dòng)燃料行業(yè)變革轉(zhuǎn)型，也可以降低交通運(yùn)輸、工業(yè)用能、建筑采暖過程中的碳排放。目前，世界主要發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體，已經(jīng)把氫能源的利用提到了國家戰(zhàn)略的高度來對(duì)待，從國家層面上制定了長期的研發(fā)計(jì)劃。美、歐、日等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)都從國家可持續(xù)發(fā)展和安全戰(zhàn)略的高度，紛紛投入巨資進(jìn)行氫能相關(guān)技術(shù)研發(fā)，制定相應(yīng)的發(fā)展戰(zhàn)略和計(jì)劃，并指導(dǎo)和推進(jìn)相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展，以期在未來氫經(jīng)濟(jì)社會(huì)占據(jù)主動(dòng)權(quán)。

儲(chǔ)氫技術(shù)作為氫氣“制”和“用”環(huán)節(jié)之間的重要橋梁，其重要性不容忽視。高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)、低溫液態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)、固態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)及有機(jī)物液體儲(chǔ)氫技術(shù)是目前主要的4種儲(chǔ)氫技術(shù)，其中主流方式還是高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫。從長遠(yuǎn)來看氫能要實(shí)現(xiàn)其對(duì)凈零排放的重大貢獻(xiàn)潛力，就必須進(jìn)行大規(guī)模儲(chǔ)存。地下儲(chǔ)氫技術(shù)由于其儲(chǔ)氫規(guī)模大、綜合成本低而受到了廣泛關(guān)注。以美國為代表的世界發(fā)達(dá)國家圍繞地下儲(chǔ)氫技術(shù)正進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，并得到迅速發(fā)展。目前，英國、德國、加拿大、波蘭、土耳其、荷蘭和丹麥等也都制定了鹽穴儲(chǔ)氫計(jì)劃。相比上述國家，我國地下儲(chǔ)氫研究較為滯后，尚無地下儲(chǔ)氫實(shí)踐。為此，本工作主要根據(jù)國外地下儲(chǔ)氫技術(shù)的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀，分析氫氣地下儲(chǔ)存可能面臨的技術(shù)問題，為國內(nèi)發(fā)展鹽穴儲(chǔ)氫技術(shù)提供借鑒。進(jìn)一步結(jié)合中鹽金壇鹽穴綜合利用的經(jīng)驗(yàn)以及江蘇地區(qū)的地域特點(diǎn)，探索鹽穴儲(chǔ)氫技術(shù)路線的可能性，為中國實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)提供思路。

1 氫氣的特點(diǎn)

一般情況下，氫氣的能量密度約為120 MJ/kg，它的能量密度是天然氣的2.5～3.0倍，是單位質(zhì)量中能量含量最高的燃料。我國地下儲(chǔ)氫研究較為滯后，尚無地下鹽穴儲(chǔ)氫實(shí)踐。但是天然氣地下儲(chǔ)氣庫在國內(nèi)已實(shí)現(xiàn)大規(guī)模推廣，在建設(shè)和運(yùn)營方面可以為氫氣儲(chǔ)運(yùn)提供成熟經(jīng)驗(yàn)與借鑒。氫氣在物理性質(zhì)上和甲烷大有不同，見表1。在25 ℃、101.325 kPa氣壓下，氫氣的密度僅為0.082 kg/m3，甲烷在室溫下密度是氫氣的8倍，在質(zhì)量相同情況下氫氣需要更高的儲(chǔ)存壓力。氫氣的黏度同樣也比甲烷小，表現(xiàn)出更高的流動(dòng)性，這會(huì)導(dǎo)致氫氣在地下采出過程中的殘留變低，注采效率與天然氣相比會(huì)有所提高。在水溶性方面，氫氣在水中的溶解度也比甲烷低，這意味著氫氣在注氣排鹵過程中會(huì)有更少的損失。以典型的地下鹽穴存儲(chǔ)體系為例，在水-氫-鹽三相系統(tǒng)中，可通過調(diào)節(jié)溫度、壓力、鹽水濃度等參數(shù)，進(jìn)一步降低氫在鹽水中的溶解度。但是，由于氫氣的分子量較低，擴(kuò)散程度較高，它很可能通過蓋層和夾層向地表或四周泄漏。在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，氫氣的水中擴(kuò)散系數(shù)是甲烷的2.77倍。因此在地下存儲(chǔ)過程中，必須考慮地下空間孔隙度對(duì)擴(kuò)散的影響。綜上所述，在借鑒成熟經(jīng)驗(yàn)時(shí)應(yīng)考慮到實(shí)際工程應(yīng)用中儲(chǔ)存氫氣壓力、注采工藝、滲透率等因素與儲(chǔ)存天然氣的差異，意識(shí)到氫氣地下存儲(chǔ)研究的科學(xué)問題和技術(shù)挑戰(zhàn)。

表1   氫氣和甲烷的物理性質(zhì)

2 氫氣地下存儲(chǔ)的研究和應(yīng)用

目前，地下儲(chǔ)氣庫主要有4種類型。含水層儲(chǔ)氣庫，通過向蓋層下注氣驅(qū)替巖層中的水而成，其存儲(chǔ)容量大，但勘探風(fēng)險(xiǎn)大、墊氣不能完全回收。廢棄礦坑儲(chǔ)氣庫容量小且易漏氣，很少被使用。枯竭的油氣藏儲(chǔ)氣庫利用油氣田的原有設(shè)施及儲(chǔ)氣量大的優(yōu)點(diǎn)在地下儲(chǔ)氣庫中占的比例較大，但是地層中空隙體積過大會(huì)導(dǎo)致大量氣體殘留，增加墊氣量，同時(shí)對(duì)地面設(shè)施的要求較高。鹽穴儲(chǔ)氣庫則因?yàn)槠湔{(diào)峰能力強(qiáng)，注采氣的效率高，對(duì)于墊層氣量需求低，同時(shí)巖鹽的密封能力大及鹽結(jié)構(gòu)的惰性，可以防止儲(chǔ)存的氫氣被污染，并且操作靈活，目前被認(rèn)為是最有前景的地下儲(chǔ)氫選擇。

1976年Walters驗(yàn)證了利用自然形成的地下結(jié)構(gòu)來儲(chǔ)存氫氣具有可行性。1979年Carden等研究了地下儲(chǔ)氫的流失率，他們發(fā)現(xiàn)每個(gè)注采循環(huán)周期約有1%氫氣可能會(huì)損失，而在第1個(gè)循環(huán)中，氫氣溶解到地層中造成的損耗只有0.4%。1986年Taylor等通過評(píng)估氫氣儲(chǔ)存在鹽穴、巖石穴的可行性及經(jīng)濟(jì)性，研究發(fā)現(xiàn)鹽穴是最經(jīng)濟(jì)的地下儲(chǔ)存結(jié)構(gòu)。2018年Tarkowski等在波蘭篩選了28個(gè)鹽穴，為地下儲(chǔ)氫選出了最有價(jià)值的7個(gè)鹽穴。同年，Heinemann等根據(jù)存儲(chǔ)容量和地質(zhì)條件，研究了在英國中部的地下儲(chǔ)氫的可能性。Lemieux等在2019年分析了枯竭的油氣藏儲(chǔ)氣庫、鹽穴儲(chǔ)氣庫、含水層儲(chǔ)氣庫等優(yōu)勢，并把鹽穴用于季節(jié)性儲(chǔ)存加拿大安大略省的氫氣。Lankof等在2020年提供了一系列具有地下儲(chǔ)氫潛力的鹽穴。Narayanamoorthy等參照運(yùn)營技術(shù)、投資成本、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、風(fēng)險(xiǎn)因素等5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，提出了地下儲(chǔ)氫鹽穴選址方法。隨著研究的深入，越來越多的目光聚焦在大規(guī)模地下鹽穴儲(chǔ)氫項(xiàng)目上。氫氣儲(chǔ)氣庫的墊層氣以甲烷為主，但氫氣和甲烷兩種氣體易形成氣體混合，采出氫氣時(shí)會(huì)同時(shí)采出一定量的甲烷，影響氫氣的采出純度。如表2所示，世界上地下存儲(chǔ)純度較高的氫氣(氫氣純度≥95%)的設(shè)施大多建立在英國和美國，它們大部分選擇鹽穴作為儲(chǔ)氫地點(diǎn)。比如位于英國Teesside的儲(chǔ)氫工程證明鹽穴是一個(gè)完美的儲(chǔ)氫場所，但是它的運(yùn)行壓力較低，且Teesside的儲(chǔ)氫工程深度僅為356 m，運(yùn)行壓力低會(huì)導(dǎo)致鹽穴塌陷，所以需要已注入的大部分氫氣維持壓力，故循環(huán)采出的氫氣量較小，采出氫氣的體積占總體積的8%。在表2中，還有許多氫氣與其他氣體(例如甲烷)混合的儲(chǔ)存項(xiàng)目，這說明利用氫氣地下大規(guī)模儲(chǔ)存并轉(zhuǎn)化成另一種形式能源的研究引起了世界各國的極大關(guān)注。

表2   世界地下儲(chǔ)氫項(xiàng)目概況

3 地下儲(chǔ)氫存在的技術(shù)問題

雖然大規(guī)模地下儲(chǔ)氫擁有廣闊的應(yīng)用前景，但在實(shí)施中也不可避免地存在技術(shù)問題和科學(xué)挑戰(zhàn)。要實(shí)現(xiàn)安全高效的存儲(chǔ)，在項(xiàng)目實(shí)施之前，不僅需要考慮存儲(chǔ)類型、容量、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)效益等因素，還需要對(duì)電力生產(chǎn)設(shè)施和地質(zhì)儲(chǔ)存潛力進(jìn)行評(píng)估和研究。在項(xiàng)目運(yùn)行中，氫氣的注采過程還對(duì)井況和地下環(huán)境造成金屬腐蝕、橡膠失效、水泥降解、氫氣泄漏等問題，如圖1所示。

圖1   地下儲(chǔ)氫技術(shù)問題

3.1　氫腐蝕

氫腐蝕嚴(yán)重威脅了完井所用材料的耐久性、儲(chǔ)氣井的完整性、儲(chǔ)層的地質(zhì)與環(huán)境安全。氫氣化學(xué)性質(zhì)很活潑，容易對(duì)鋼材造成氫氣起泡、氫脆、氫裂紋。儲(chǔ)存的H2或產(chǎn)生的H2S等分子在材料表面發(fā)生分解反應(yīng)生成氫原子，氫原子在金屬表面形成化學(xué)吸附。在這種原子形式中，氫可以積累在金屬表面下的缺陷位置。這種積累會(huì)使缺陷附近產(chǎn)生強(qiáng)大的內(nèi)壓，產(chǎn)生塑性變形。固井是保證井身完整性的重要組成部分，Reitenbach等對(duì)完井所用材料的耐久性、腐蝕和與微生物代謝有關(guān)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行研究。氫氣滲透過水泥環(huán)也是一個(gè)相對(duì)潛在的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，因?yàn)樗啾┞对跇O端的負(fù)荷條件下由于壓力、熱膨脹和體積變化導(dǎo)致腐蝕，機(jī)械強(qiáng)度會(huì)降低。Kutchko等研究了酸性氣體(H2S-CO2)和純CO2作用下水泥在模擬儲(chǔ)層條件下的變化規(guī)律，溫度、pH對(duì)水泥的孔隙度和滲透率有很大影響。CO2對(duì)水泥的化學(xué)降解作用稱為碳酸化。對(duì)于地下儲(chǔ)氫來說，碳酸化過程將取決于巖石礦物和地層流體中CO2的含量。如果碳酸化作用持續(xù)下去，碳酸鈣會(huì)轉(zhuǎn)化為重碳酸氫鈣[Ca(HCO3)2]，Teodoriu等研究表明這種水溶性的產(chǎn)物導(dǎo)致水泥強(qiáng)度降低。此外，氫氣環(huán)境中的微生物也會(huì)參與水泥化學(xué)反應(yīng)，影響水泥材料的性能。

封隔器是完井過程中的密封組件，其主要功能是隔離套管、油管或環(huán)空中的流體。封隔器故障會(huì)影響井的完整性，產(chǎn)生泄漏，危及環(huán)境和安全。封隔器通常由橡膠或聚合物制成的彈性體材料組成。由于在注采過程中會(huì)出現(xiàn)快速氣體減壓(RGD)，彈性體材料在儲(chǔ)氫操作中可能受到損害。Patel等發(fā)現(xiàn)在高壓下，氫氣可以滲透到彈性體材料中。在RGD之后，橡膠材料會(huì)因?yàn)榻佑|氫氣而變得過飽和，這影響材料的拉伸強(qiáng)度，并在密封橡膠材料內(nèi)部產(chǎn)生氣泡破裂。故障的嚴(yán)重程度與溫度、壓力和減壓時(shí)間成正比。當(dāng)彈性體材料與鉆井液、完井液、旋轉(zhuǎn)液、地層鹽水或含有各種溶劑、焦散劑、腐蝕性化學(xué)品的生產(chǎn)液接觸時(shí)，彈性體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞并可能會(huì)發(fā)生化學(xué)降解。一方面，鹽穴儲(chǔ)氫的墊層氣以甲烷為主，存儲(chǔ)的氫氣和甲烷混合。另一方面，地下氫氣在高壓條件下可能發(fā)生的主要化學(xué)反應(yīng)為產(chǎn)生甲烷、硫酸鹽還原和乙酰化。鹽穴本身的巖層雜質(zhì)或者CO2使氫氣被消耗生成甲烷、乙酸鹽、硫化氫。因此，儲(chǔ)氫過程中產(chǎn)生的H2S、CO2和CH4也會(huì)加速彈性體的化學(xué)降解。Salehi等發(fā)現(xiàn)當(dāng)彈性體表面接觸存在的H2S時(shí)，它的高反應(yīng)活性使其部分溶解，導(dǎo)致其強(qiáng)度、極限伸長率和硬度降低。Fernández等研究發(fā)現(xiàn)隨著H2S濃度的增加，彈性體表面發(fā)生脆性斷裂。國內(nèi)外的專家和學(xué)者仍在持續(xù)對(duì)防止氫氣滲透材料進(jìn)行研究，通過對(duì)水泥、完井金屬和橡膠材料的改進(jìn)可以改善井身的完井條件，為密封儲(chǔ)氫提供可靠屏障。

3.2　地質(zhì)反應(yīng)

注入氫氣會(huì)改變地層孔隙、溶解氣體和巖石基質(zhì)之間的化學(xué)平衡，這可能導(dǎo)致氫氣的大量損失、氣體污染(例如產(chǎn)生H2S)、礦物溶解或沉淀、氫擴(kuò)散泄漏等問題。Lassin等研究表明氫氣在存儲(chǔ)過程中所產(chǎn)生的壓力可以驅(qū)替鄰近的孔隙水，影響溫度和相對(duì)濕度的變化，孔隙水-巖石-氣體系統(tǒng)的化學(xué)反應(yīng)性也產(chǎn)生變化。地下存儲(chǔ)環(huán)境影響相當(dāng)復(fù)雜，比如溶解氫不會(huì)直接影響孔隙水的pH，但反應(yīng)溶解的硫酸鹽間接影響液體的pH，從而導(dǎo)致礦物產(chǎn)生溶解/沉淀反應(yīng)。如果赤鐵礦或含鐵黏土和云母等礦物與儲(chǔ)存的氫氣引起氧化還原反應(yīng)，巖石基質(zhì)的強(qiáng)度和力學(xué)性能就會(huì)受到影響。礦物的溶蝕作用可能會(huì)產(chǎn)生氣體泄漏的通道，從而導(dǎo)致氫氣的損失。

如果在斷層和井口注入低溫的液態(tài)氫，將直接導(dǎo)致儲(chǔ)層的壓力和溫度變化。由于焦耳-湯姆遜效應(yīng)，低溫液態(tài)氫的溫度對(duì)地層和井筒的穩(wěn)定性是個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。除此之外，氫氣進(jìn)入地下，超出壓力承受范圍的部分巖層會(huì)發(fā)生形變。Rutqvist研究了深部沉積層，特別是鹽水層的儲(chǔ)存問題，對(duì)儲(chǔ)層應(yīng)力-應(yīng)變和微震活動(dòng)、井的完整性、蓋層封閉性能等進(jìn)行探討。周期性的注氫產(chǎn)生循環(huán)應(yīng)力的波動(dòng)可能導(dǎo)致儲(chǔ)層內(nèi)部、井筒和斷層附近的儲(chǔ)層壓實(shí)，孔隙度降低，也有可能導(dǎo)致蓋層彎曲、產(chǎn)生裂縫和孔洞滲漏。鹽穴圍巖在受到地震剪切力的作用時(shí)，由于泥巖夾層和鹽巖的物理力學(xué)性質(zhì)不同，在地震作用下兩者的變形不協(xié)調(diào)，在兩者接觸面處會(huì)發(fā)生較大的相對(duì)位移差，產(chǎn)生裂縫，影響鹽穴整體的穩(wěn)定性和密封性，因此在選擇儲(chǔ)氫庫區(qū)塊位置時(shí)要考慮到地震對(duì)于氣庫的影響，根據(jù)《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》，在氣庫所在區(qū)塊位置的相應(yīng)抗震設(shè)防烈度基礎(chǔ)上，按照高一烈度的要求設(shè)計(jì)工程。

氫氣在地下條件下反應(yīng)的程度和速率存在很大不確定性，為了預(yù)測化學(xué)反應(yīng)對(duì)儲(chǔ)存周期的影響，在項(xiàng)目開展前期，通過對(duì)目標(biāo)儲(chǔ)庫處鉆取巖芯，進(jìn)行力學(xué)性能和滲透性能的分析，同時(shí)利用數(shù)值軟件模擬氫氣在地下鹽穴的儲(chǔ)存情況也是必要的。

3.3　微生物反應(yīng)

微生物在地下的生長情況應(yīng)納入儲(chǔ)層穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。Gregory等研究表明生物和非生物作用產(chǎn)生的氫都可以被微生物消耗。除了地下固有群落，在儲(chǔ)存過程中從地表氣體或鉆井液可能引入外來微生物。微生物與氫循環(huán)消耗、生產(chǎn)和腐蝕息息相關(guān)。有很多經(jīng)常出現(xiàn)的微生物被認(rèn)為是主要的氫消耗者，如產(chǎn)甲烷菌、硫酸鹽還原菌、乙酸細(xì)菌等。氫氣的損失主要因?yàn)槲⑸锓磻?yīng)將H2轉(zhuǎn)化為CH4或H2S等氣體。在奧地利實(shí)施的Underground Sun Storage工程中3%的氫氣被存在的微生物損耗。在法國拜恩斯(Beynes)項(xiàng)目中H2在7個(gè)月內(nèi)減少了17%，但是CH4的量有所增加，說明H2轉(zhuǎn)化成了CH4。雖然CH4的增加有利于提高熱量值，但從長遠(yuǎn)角度上看不利于綠色低碳的理念，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生一些不可控的因素。另一方面，微生物產(chǎn)生的H2S也會(huì)帶來氫儲(chǔ)存的風(fēng)險(xiǎn)。隨著微生物密度的增加，微生物形成的生物膜或礦物沉淀可能導(dǎo)致孔隙堵塞，從而降低氫氣的注入能力。

Berta等研究表明在實(shí)驗(yàn)過程中，硫酸鹽還原和乙酸鹽生成的過程中，氫氣的消耗較快，但是沒有產(chǎn)甲烷，而且反應(yīng)速率與氫氣的分壓無關(guān)，當(dāng)鹽水的濃度增加到35 g/L以上，氫氣的消耗才停止，說明在高鹽環(huán)境會(huì)抑制某些微生物的生長。高壓也對(duì)微生物代謝產(chǎn)生影響。這些研究表明通過溫度、鹵水濃度、壓力等參數(shù)可以控制微生物的生長。

綜上所述，我國地下鹽穴儲(chǔ)氫應(yīng)從以下四個(gè)方面入手：防氫滲透材料、地面配套設(shè)備、檢測氫氣凈化技術(shù)和地下監(jiān)測綜合模擬評(píng)估。使用含滲透率較低的二氧化硅黏結(jié)劑的水泥、含鎳的奧氏體不銹鋼及氫化丁腈橡膠作為封隔材料，防止氣體漏失及套管開裂、腐蝕和脆化，以改善井身?xiàng)l件。在選擇儲(chǔ)氫庫區(qū)塊位置時(shí)綜合考慮安全、經(jīng)濟(jì)、地理位置等因素，在氣庫所在區(qū)塊位置的相應(yīng)抗震設(shè)防烈度基礎(chǔ)上，可以按照高一烈度的要求設(shè)計(jì)工程。在氫氣的“制”“儲(chǔ)”“運(yùn)”環(huán)節(jié)除了政策規(guī)范、設(shè)施配套齊全，對(duì)氫氣的提純工藝和檢測標(biāo)準(zhǔn)也需進(jìn)一步完善。

由于氫氣在地下條件下反應(yīng)的程度和速率存在很大不確定性，為了預(yù)測化學(xué)反應(yīng)對(duì)儲(chǔ)存周期的影響，在項(xiàng)目開展前期，通過對(duì)目標(biāo)儲(chǔ)庫處鉆取巖芯，進(jìn)行力學(xué)性能和滲透性能的分析，同時(shí)利用數(shù)值軟件模擬氫氣在地下鹽穴的儲(chǔ)存情況。一般儲(chǔ)氫壓力過小時(shí)，儲(chǔ)存的氣體體積小且鹽穴可能發(fā)生蠕變收縮，壓力過大，氫氣可能會(huì)通過滲透率較大的蓋層或夾層滲透發(fā)生泄漏。儲(chǔ)氫的壓力范圍應(yīng)具有合理的安全穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)效益。

4 鹽穴儲(chǔ)氫的展望

4.1　江蘇省能源結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

江蘇省位于我國大陸東部沿海中緯度地區(qū)，地勢平坦，全省陸區(qū)面積10.72萬平方公里，海岸線長達(dá)954公里，灘涂面積約50萬公頃，海域面積3萬余平方公里，面向西太平洋。海上風(fēng)能資源對(duì)于經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的江蘇而言，無疑是一種極其寶貴的資源。根據(jù)江蘇省能源局發(fā)布的《江蘇省“十四五”可再生能源發(fā)展專項(xiàng)規(guī)劃(征求意見稿)》的規(guī)劃目標(biāo)，到2025年，江蘇省風(fēng)電新增約1100萬千瓦，其中海上風(fēng)電新增約800萬千瓦；光伏發(fā)電新增約900萬千瓦；各類生物質(zhì)發(fā)電新增約70萬千瓦；抽水蓄能新增約135萬千瓦。由于江蘇風(fēng)能具有典型的季風(fēng)特征，需要季節(jié)間的儲(chǔ)能來調(diào)節(jié)。為此，將風(fēng)能與鹽穴儲(chǔ)能相結(jié)合能較好解決城市能源消耗的問題。太陽能資源及生物質(zhì)能資源豐富，江蘇省全年輻射量約為4500～5200 MJ/m2，大部分地區(qū)的年均日照數(shù)在1400～3000 h。江蘇省境內(nèi)平原、湖泊較多，土壤適宜多種農(nóng)作物生長、生物質(zhì)能資源量豐富。由于江蘇省臨海，具有豐富的水資源，且降雨量相對(duì)豐沛，各地多年平均降水量在800～1100 mm。這便為電解水制氫，進(jìn)行過盈風(fēng)能、太陽能等可再生能源的消納提供了保障。

隨著江蘇省可再生能源規(guī)模的持續(xù)擴(kuò)大，為提高可再生能源的利用效率，消納可再生能源的棄電，需要配備大規(guī)模的儲(chǔ)能系統(tǒng)，對(duì)規(guī)模日益增大的可再生能源進(jìn)行調(diào)峰儲(chǔ)能。如前所述，江蘇省在我國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中位居前列，且江蘇省在金壇、淮安等地?fù)碛胸S富的地下鹽穴資源，同時(shí)考慮到《江蘇省“十四五”可再生能源發(fā)展專項(xiàng)規(guī)劃(征求意見稿)》中所提出的“因地制宜”的發(fā)展規(guī)劃，江蘇省的可再生能源也具有良好的大規(guī)模發(fā)展前景，可再生能源發(fā)電的資源條件和地下鹽穴儲(chǔ)氫的地質(zhì)條件在江蘇這個(gè)區(qū)位因素上重疊，將可再生能源發(fā)電與地下鹽穴氫儲(chǔ)能結(jié)合是適宜江蘇省低碳發(fā)展的理想途徑之一。至于選取具體合適的地下儲(chǔ)氫場所，還需根據(jù)江蘇當(dāng)?shù)卣摺⒌乩砦恢谩^(qū)域發(fā)展因地制宜。

4.2　江蘇省鹽穴特點(diǎn)

江蘇省擁有豐富的可再生能源資源，成熟的輸氣管路，并且擁有金壇、徐州師寨以及淮安等多處豐富的鹽礦、鹽穴資源，見表3。其中，金壇鹽礦覆蓋面積達(dá)60.5 km2。鹽層厚度大、夾層少、品位高，金壇鹽穴深1000 m以上，遠(yuǎn)低于地下含水層，降水對(duì)地下儲(chǔ)氫鹽穴的安全影響可忽略不計(jì)，是建設(shè)地下鹽穴儲(chǔ)氫庫的良好場所。研究人員對(duì)金壇鹽穴的蓋層密封性研究，獲得并制備了用于實(shí)驗(yàn)的泥巖蓋層樣品，泥巖巖芯是在深度為760～870 m的先導(dǎo)井中獲得的。862～869 m之間泥巖蓋層的40個(gè)樣品的突破壓力(BP)值為2.94～66.43 MPa，平均值為28.48 MPa。根據(jù)鄧氏蓋層標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)BP>24.3 MPa時(shí)蓋層為優(yōu)良，30 MPa時(shí)蓋層為完美。按此標(biāo)準(zhǔn)，該區(qū)泥巖蓋層處于優(yōu)良和完美之間。因此，金壇礦泥巖蓋層具有良好的密封性。金壇鹽礦深部范圍900～1100 m，原位垂向應(yīng)力為20.7～25.3 MPa。這個(gè)值比閾值壓力大得多。因此，泥巖蓋層致密性好，滲透率低，約10-18 m2。用50個(gè)蓋層樣品測量孔隙率。孔隙率最高為10.4%，最低為1.4%，平均為4.3%。這樣的平均孔隙率也非常低。從微觀結(jié)構(gòu)角度對(duì)泥巖蓋層進(jìn)行了研究，該泥巖蓋層致密，表面是凹陷和波峰。顆粒非常小，呈碎狀或不規(guī)則形狀，顆粒大小為2～6 mm，粒子分布非常緊密，粒子之間幾乎沒有間隙。隨著離鹽巖層距離的增大和深度的增加，顆粒分布更加緊密，指標(biāo)基質(zhì)表現(xiàn)更緊密。這些都表明金壇鹽礦在縱向和橫向均具有穩(wěn)定的區(qū)域構(gòu)造和良好的存儲(chǔ)性。統(tǒng)計(jì)自公元320年以來金壇及周邊歷史上的地震資料，震級(jí)大于3級(jí)的共26次，最大6級(jí)，一般為3～5級(jí)。發(fā)生在金壇地區(qū)的共7次，最大震級(jí)3.5級(jí)。從該地區(qū)相應(yīng)抗震設(shè)防烈度來看，該地區(qū)相應(yīng)抗震設(shè)防烈度為6度，在工程建設(shè)中按7度考慮設(shè)計(jì)。綜合考慮地區(qū)的地質(zhì)資料和地震歷史，金壇鹽穴在儲(chǔ)氫選址時(shí)具有極大的優(yōu)勢。

表3   江蘇各市用電總量、可再生資源、長輸管道及鹽礦分布情況

4.3　鹽穴儲(chǔ)氫技術(shù)路線

以氫氣作為儲(chǔ)能介質(zhì)，對(duì)于單個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)達(dá)到100 GWh的規(guī)模，鹽穴儲(chǔ)氫是唯一具有技術(shù)潛力的方法。鹽穴儲(chǔ)氫具有以下特殊優(yōu)勢：①巖鹽具有致密的基質(zhì)和極低的滲透率(≤10-20 m2)，較好的蠕變特性使其能夠自動(dòng)修復(fù)裂隙；②地下鹽礦是非含水層，密封性好，不會(huì)污染地下水，而且鹽穴采用水溶造腔技術(shù)，相比其他儲(chǔ)氣庫造腔成本低；③鹽穴的工程條件比其他水庫更合適，例如鹽穴的空間通常為10萬～50萬m3，深度范圍為600～2000 m，非常經(jīng)濟(jì)，適合儲(chǔ)存加壓氫氣；④總體而言，與枯竭的油氣藏型儲(chǔ)層和含水層相比，利用鹽穴來儲(chǔ)存氫氣費(fèi)用最低，例如，鹽穴僅需要總氣體量的1/3作為緩沖氣，但枯竭的油氣藏型儲(chǔ)層和含水層需要總氣量的50%～80%作為緩沖氣。而且，地下鹽穴儲(chǔ)氫的能量密度可以達(dá)到約300 kWh/m3，幾乎等于鋰離子電池的能量密度。一個(gè)鹽穴可以儲(chǔ)存數(shù)千噸的氫氣，規(guī)模較大。因此，利用鹽穴可以在將來實(shí)現(xiàn)氫氣的大規(guī)模長期儲(chǔ)存。

據(jù)江蘇統(tǒng)計(jì)年鑒2021年數(shù)據(jù)顯示，江蘇省全社會(huì)用電總量6373.7億千瓦時(shí)，其中，蘇南地區(qū)用電總量達(dá)3705.5億千瓦時(shí)(具體城市見表3)。面對(duì)巨大能源需求，截至2021年底，江蘇全省可再生能源累計(jì)裝機(jī)4443萬千瓦，占全省裝機(jī)總量的28.8%。海上風(fēng)電裝機(jī)連續(xù)多年位居全國第一，光伏發(fā)電裝機(jī)位居全國第三，生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)位居全國第四。根據(jù)目前技術(shù)水平，可采用大規(guī)模堿性水電解制氫技術(shù)、鹽穴儲(chǔ)氫技術(shù)及天然氣管道摻氫技術(shù)相結(jié)合的技術(shù)方案。該技術(shù)方可利用電解槽靈活地吸納電網(wǎng)低谷或可再生能源的電力，同時(shí)也能為電力系統(tǒng)提供低成本的平衡服務(wù)。如圖2所示，電網(wǎng)過剩的可再生能源將水分解成氫氣和氧氣，也就是將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。生產(chǎn)的氫氣可大規(guī)模儲(chǔ)存于鹽穴中，也可進(jìn)一步用于下游的交通、工業(yè)或天然氣管網(wǎng)注入。據(jù)2021年4季度江蘇省天然氣行業(yè)報(bào)告顯示，江蘇省天然氣長輸管道總計(jì)293條(表3)，市域輸氣干線241條。而金壇鹽盆位于蘇南天然氣管網(wǎng)中心，“天然氣管道摻氫”具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，可順利解決氫氣下游消納的問題。該方案具有新能源電力消納、電網(wǎng)削峰填谷、能源大規(guī)模、跨季節(jié)存儲(chǔ)、平衡氫能供需以及低成本等優(yōu)勢。這對(duì)于可再生能源發(fā)電的剩余電量的大規(guī)模存儲(chǔ)、綠色清潔氫能源的使用與發(fā)展以及節(jié)能減排，發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)都具有十分重要的意義。

圖2   氫能發(fā)展路線

5 結(jié)論

大規(guī)模的儲(chǔ)氫可以幫助緩解可再生能源發(fā)電的主要問題，如間歇性、季節(jié)性和地理限制。滿足用氫需求，推動(dòng)氫經(jīng)濟(jì)實(shí)現(xiàn)雙碳減排綠色目標(biāo)。本工作介紹了氫能的發(fā)展趨勢和相關(guān)儲(chǔ)氫技術(shù)。通過分析比較，鹽穴在大規(guī)模地下儲(chǔ)氫方向有遠(yuǎn)大前景。越來越多的國家在全球都大力投資，而我國在大規(guī)模鹽穴儲(chǔ)氫項(xiàng)目上還較為薄弱。實(shí)施過程中存在一些科學(xué)問題亟待解決，如氫腐蝕、微生物反應(yīng)、地質(zhì)反應(yīng)等。為了保障氫能的安全高效存儲(chǔ)，選址應(yīng)建立科學(xué)完善的評(píng)估體系，儲(chǔ)存點(diǎn)應(yīng)具備測量、監(jiān)視和驗(yàn)證操作系統(tǒng)，開發(fā)技術(shù)應(yīng)借鑒多學(xué)科基礎(chǔ)和成功經(jīng)驗(yàn)。以江蘇金壇鹽穴為例，結(jié)合江蘇能源結(jié)構(gòu)背景，將水電解制氫技術(shù)、鹽穴儲(chǔ)氫技術(shù)及天然氣管道摻氫技術(shù)相結(jié)合，解決“制、儲(chǔ)、運(yùn)”的關(guān)鍵問題，這對(duì)加快氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展、推動(dòng)我國能源結(jié)構(gòu)改革、支撐可再生能源大規(guī)模發(fā)展、實(shí)現(xiàn)交通運(yùn)輸、工業(yè)等領(lǐng)域的深度脫碳均能起到重要作用。

作者：陸佳敏 徐俊輝 王衛(wèi)東王浩徐孜俊陳留平

引用： 陸佳敏,徐俊輝,王衛(wèi)東等.大規(guī)模地下儲(chǔ)氫技術(shù)研究展望[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù),2022,11(11):3699-3707.